1. 研究目的与意义
冰片是一种单萜类化合物,主要来源于植物樟树的根枝叶果等,是一种天然手性化合物冰片在临床上除用于局部搽擦增加微血管循环外,还具有许多药理活性及作用,如杀虫抗菌抗病毒抗球虫抗伤害性抗癌和镇咳作用等近年来,以天然冰片为原料进行化学修饰合成冰片衍生物作为药物的研究也有一些报道含氮杂环化合物是杂环化合物中的一个重要分支,可作为医药农药染料和其他精细化工产品的中间体,含氮杂环化合物及其衍生物的应用越来越广泛氟硼荧光( BODIPY )染料是近些年来新兴起来的,与传统染料相比大多都具有优异光化学物理性能的一类荧光化合物尤其是长波近红外的 BODIPY 荧光染料,更适合于活体细胞成像进而研究生命过程的发生和变化然而其吸收和发射波长都处于小于600nm的可见区域因此,研究 BODIPY 荧光染料的合成方法以及通过对其进行修饰衍生实现吸收发射光谱红移尤为必要近红外荧光染料分子在生物医学材料等领域具有重要的理论和实践意义 例如,近红外(700~1200nm )荧光染料用于荧光检测,由于使用低能激发光子作为光源,降低了拉曼散射和生物分子基体自吸收及自荧光等信号干扰,使近红外光能在生物体内能穿透得更深,从而有效提高了检测灵敏度,有利于活体检测本论文将以冰片为原料设计合成一系列冰片基含氮杂环化合物,并对其结构进行表征 研究内容:以冰片为原料,通过达参反应,合成冰片基醛,研究反应温度催化剂和不同原料配比对反应的影响;然后再以冰片基醛为原料合成含氮杂环化合物,考察不同影响因素对反应的影响,确定最佳合成条件;并使用核磁共振谱质谱元素分析等对合成的化合物进行结构表征
2. 国内外研究现状分析
一、冰片1.冰片1.1促进药物吸收作用促进药物透过血脑屏障,冰片能促进某些药物透过血脑屏障;促进药物透皮吸收,冰片是曲安缩松的皮肤助渗剂能增加曲安缩松透皮吸收率冰片广泛添加于各种外用制剂中,研究冰片对其他药物透皮吸收的影响,有助于了解冰片对这些制剂的配伍效应(药效毒性),从而兴利除弊,提高临床疗效提高其他药物的血药浓度和生物利用度,冰片能促进四甲基毗嗪的吸收,从提高其血药浓度和生物利用度(1)冰片开窍醒神引药上行与促进其他药物透过血脑屏障的研究冰片的芳香开窍引药上行作用依据的现代研究:为探讨冰片的芳香开窍引药上行的作用依据,现代科学研究者开展了大量的实验研究,并取得了满意的成效上海中医学院采用给小鼠口服 H--冰片的方法,研究了冰片在小鼠体内的吸收分布排泄过程实验证实H--冰片经肠黏膜吸收迅速,给药 5min 后即可透过血脑屏障( BBB ),且在中枢神经中定位蓄积时间较其他脑外组织长,蓄积量相当高提示了冰片能透过 BBB (2)冰片促渗作用的研究促进其他药物透皮吸收作用的研究:传统中医认为冰片辛散透表,能引药由肌表直达腠理因此广泛用于局部皮肤制剂中,许多含冰片的著名方剂如冰硼散冰玉散拔毒散等均用治外科的疮疡痈疖及痔疮等症现代研究表明冰片是一种有效的透皮促进剂,印证了中医传统用药的正确(3)冰片促进其他药物在体内分布浓度提高的研究现代科学研究证实了冰片能促进其他药物在体内分布浓度的提高,与古人走窜之说不谋而合陈铁峰研究了冰片对四甲基吡嗪( TMP )药物动力学的影响,用气相色谱法测定单用 TMP 与合用冰片TMP两组给药后不同时间点的血药浓度,发现合用冰片TMP组的最高血药浓度和以 AUC 为指标的生物利用度均远大于单用TMP 组1.2抗炎镇痛作用冰片本身具有抗炎作用和镇痛作用与冰片是清热止痛的功效相吻合江光池等研究实:龙脑和异龙脑均能显著抑制蛋清所致的大鼠足跖肿胀异龙脑还能抑制巴豆油所致的小鼠耳廓肿胀龙脑和异龙脑对小鼠有镇痛作用1.3对心血管系统的作用对急性心肌梗塞的麻醉拘产生与冠心苏合丸类似的作用,能使冠状窦血流量回升,减慢心率,降低心肌氧耗量1.4抗生育作用对早期妊娠小鼠无明显作用,对中晚期妊娠小鼠具有明显的引产作用,这一结果与中医临床孕妇慎用的禁忌相印证1.5抗菌作用冰片外用有清热止痛,防腐止痒功效,其中的清热防腐功效可能与其具有抗菌作用有关,研究表明:冰片作用于黑曲菌后,能使其细胞壁增厚模糊空泡,胞浆内呈现菌粒,胞浆深染凝集,大量脂滴电子密度高,线粒体变性,嵴排列紊乱消失,细胞器破坏,细胞扭曲变形,失去原有结构有研究发现,在14种常见致病菌的标准株和临床株中,金黄色葡萄球菌耐药金黄色葡萄球菌和白色葡萄球菌对冰片药液敏感,抑菌效果随药物浓度的降低而降低;在剂型方面,油剂抗菌活性最好,粉剂和水剂次之二BODIPY 衍生物1968 年德国化学家 Treibs和 Kreuzer首次发现了BODIPY 荧光染料并对其进行了报道,但当时由于缺少修饰衍生方法而无人问津直到 1985 年,带有磺酸基团的水溶性 BODIPY 被报道以后,此类荧光染料才引起化学家的关注该类分子大多具有如下优点: 1 )较高的刚性,较窄的荧光发射光谱;2 )较高的摩尔消光系数,吸光效率高; 3 )较高的荧光量子产率; 4 )较好的光物理化学稳定性; 5 )分子结构中存在多个修饰位点,并且在其分子上稍作修饰就可改变其荧光性能然而,正如 2007 年 Loudet 等提到的,目前大多数 BODIPY 类染料分子的吸收和发射波长都处于小于600nm 的可见区域,缺少真正意义上的近红外的 BODIPY 衍生物;同时许多染料分子还缺乏足够的水溶性为解决这两大难题,目前研究主要集中在: 1 )开发 BODIPY 合成新方法并对其结构进行修饰衍生,改善其光物理化学性能,实现长波近红外吸收发射或使其与现有商品化激光光源相匹配; 2 )根据光诱导电子转移分子内电荷转移荧光能量转移等原理,通过有效地组合 BODIPY 和识别基团,制备所需的各种荧光探针1. BODIPY 的合成方法1.1 通过吡咯与芳香醛缩合及后续的氧化第一种方法由盐酸或苯甲醛衍生物缩合吡咯,是直接方便地合成对称取代的 BODIPY 染料分子的方法利用不同的醛类反应制备 me-so - 位取代的 BODIPY 衍生物,从而可以在 meso - 位引入一些特殊功能的复杂基团,需要使用 2 , 6 - 二氯, 5 , 6 -二氰基苯醌( DDQ )或四氯苯醌( TCQ )作为氧化剂目前,用无任何取代基的吡咯与醛水相合成二吡咯甲烷取得了较大进展,从而为合成吡咯位没有任何取代基 meso位含取代基的 BODIPY 提供便利 1.2通过吡咯与酰氯或酸酐缩合通过酰氯与吡咯的缩合合成 meso - 位取代的 BODIPY 染料相对比较容易这些反应的路线中会出现二吡咯亚甲基的盐酸盐这种中间产物实际上比较容易被分离出来,尤其在取代基多的情况下即使这样,一般在合成 BODIPY 时不分离这种方法主要用于合成 meso位含取代基的BODIPY衍生物,反应中间体直接配位,无需氧化过程活泼的羧酸衍生物等也可以替代盐酸用 2 , 4 - 二甲基吡咯和戊二酐为原料,可以直接合成 BODIPY 衍生物 这个反应的优势是在me -so - 位上产生一个自由的羧酸,可以作为以后连接识别基团的官能团,这是这条反应路线的特色例如,Wang 等利用吡咯和酸酐缩合合成了一系列具有高荧光性能的含羧酸官能团的 BODIPY 的衍生物并用于蛋白质的标记1.3 通过吡咯 - 2 - 醛与吡咯缩合第三种方法是美国 Kevin Burgess 课题组开发的一种新型合成不对称取代的 BODIPY 染料的方法这种方法是先合成吡咯醛酮,然后再用路易斯酸促进与另外一分子的吡咯片段缩合。
1.4 通过吡咯 - 2 - 酸与酸酐或吡咯 - 2- 醛缩合2008年, Umezawa 课题组首次开发了一种呋喃并吡咯 - 2 - 甲酸与呋喃并吡咯 - 2 - 甲醛缩合合成对称或不对称并环 BODIPY的方法这种酸和醛缩合制备甲川键的方法在合成卟啉以及多吡咯衍生物中非常常见,但是它是首次被利用构建氟硼二吡咯甲川键该类呋喃并环 BODIPY 荧光染料在 BODIPY 的2 , 3 -和5,6 - 位中引入呋喃环,吸收发射红移,最大可达到723 738nm 1.5 通过吡咯 - 2 - 酸与酸酐或吡咯 - 2- 醛缩合2011年, Ashok 等 采用呋喃并吡咯 -2 - 甲酸在三氟乙酸溶剂中,加入三氟乙酸酐合成了合成对称并环 BODIPY 的方法在 meso - 位引入一个 CF 3 吸电子基,从而使染料吸收发射光谱更加红移1.6 通过 α β 不饱和酮硝化成环再缩合1943 年,Rogers 首次报道了四苯基 Aza - 二吡咯配体,但这一结构在其后约五十年来一直没有被引起 关 注直 到 2002 年, O′shea 等 报 道 了 Aza-BODIPY 荧光染料,Aza BOD1PY 荧光染料凭借着其长波吸收发射摩尔吸光系数较高等优点,从此开始被广泛研究 2004 年, OShea 课题组在采用这种方 法 在 不 同 溶 剂 中 合 成 了 一 系 列 对 称 的 Aza BODIPY ,比较出在叔丁醇或无溶剂条件下比乙醇中产率高,在无溶剂条件下产物纯化需过硅胶柱,而醇中通过 α β 不饱和酮硝化成环再缩合,配位,产物会沉淀出来,醇洗涤后即可得纯净物 ,合成了一系列近 红外 的 Aza- BODIPY 荧光染料1.7 通过吡咯亚硝基与吡咯缩合2012 年,张厚俊以1,3 - 芳基取代的吡咯为原料,在吡咯 - 2 - 位引入亚硝基后与另一吡咯缩合,以较高的产率合成了一系列不对称和对称的新型近红外吸收发射的氮杂 BODIPY 荧光染料,这一系列氮杂 BODIPY 染料最大发射波长可达到 700~900nm 1.8 通过溴苯或对叔丁基溴苯的格式试剂进攻邻苯二甲腈直接合成以上几种方法均是首先制备吡咯,以吡咯为原料或中间体合成 BODIPY 这种方法是 Kim 等开发的一种直接合成新型氮杂BODIPY荧光染料的方法,用溴苯或对叔丁基溴苯的格式试剂进攻邻苯二甲腈得到中间体,再与三氟化硼乙醚配位得到新型近红外吸收发射的氮杂 BODIPY 该合成路线较短,方法简单BODIPY 现有合成方法虽然达 8 种之多,但仍具有一定的局限性因为目前连一些简单 BODIPY 分子的合成都非常困难
3. 研究的基本内容与计划
研究内容：1以冰片为原料合成卤代冰片基酯,与三甲基硅炔发生偶联反应,合成冰片基炔,研究反应温度催化剂和不同原料配比对反应的影响,研究最佳合成工艺条件;2以卤代 BODIPY 和苯甲醛为原料,通过Suzuki反应,发生交叉偶联,合成苯乙烯基卤代 BODIPY 3利用冰片基炔和苯乙烯基卤代BODIPY ,通过 Sonogashira 偶联反应,合成冰片基 BODIPY 衍生物,考察不同影响因素对反应的影响4使用核磁共振谱质谱元素分析等对合成的化合物进行结构表征,并使用荧光光谱仪紫外可见光谱仪等研究其光物理性质研究计划：2017.12.29 确定课题及论文题目2018.1.4 导师下达任务书,进行文献查阅和总结2018.1.20前完成开题报告撰写2018.2.23-5.20 在实验室完成一系列实验操作,记录数据2018.5.20-6.1论文的撰写修改数据补充及毕业答辩
4. 研究创新点
BODIPY作为一类新型的荧光染料,有着良好的光物理性质,并且易于官能化等优势在BODIPY共轭骨架的各取代位上引入不同的取代基便可得到一系列具有不同功能的衍生物,可以实现特异性识别使吸收峰和发射峰红移改善水溶性等,很大程度上满足了实际应用的需求1. 1. 冰片基BODIPY衍生物具有得到较高的摩尔消光系数，吸光效率高，较高的荧光量子产率，较好的光物理化学稳定性等特点。
2. 2. 合成各种基团修饰的BODIPY衍生物，作为荧光探针、荧光标签、光敏剂等应用于环境监测和生命科学等领域。
